Вступ

Навчальна дисципліна "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках" є дисципліною циклу професійної та практичної підготовки  фахівців освітньо-кваліфікаційного рівня "бакалавр" у галузі знань 1702 "Цивільна безпека" за напрямом 6.170203 "Пожежна безпека".

Навчальна дисципліна "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках" вивчає розділи електротехніки, які необхідні для якісного аналізу пожежної небезпеки електричних мереж та електротехнічних виробів (машин, апаратів, установочної та освітлювальної апаратури, електротермічних установок тощо), попередження та дослідження пожеж від електроустановок.

Теоретичний матеріал базується на основі вивчення дисциплін циклу природничо-наукової підготовки: "Фізика", "Вища математика", "Хімія", "Інформатика та комп’ютерна техніка", "Інженерна і комп’ютерна графіка", "Матеріалознавство та технологія матеріалів" та дисциплін циклу професійної та практичної підготовки: "Теорія розвитку та припинення горіння", "Термодинаміка і теплопередача", "Організація пожежно-профілактичної роботи", "Безпека життєдіяльності". Навчальний матеріал дисципліни "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках" використовується під час вивчення дисциплін циклу професійної та практичної підготовки: "Пожежна профілактика технологічних процесів", "Пожежна профілактика в населених пунктах", "Протипожежна та аварійно-рятувальна техніка", "Пожежна і виробнича автоматика", "Охорона праці" тощо. Навчальний матеріал, який вивчається у розділі "Електротехніка" навчальної дисципліни "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках", використовується під час вивчення розділу "Основи електроніки" навчальної дисципліни циклу практичної підготовки "Основи електроніки та зв’язок у пожежній охороні", а навчальний матеріал, який вивчається у розділі "Основи електроніки" навчальної дисципліни "Основи електроніки та зв’язок у пожежній охороні", використовується, у свою чергу, під час вивчення розділу "Пожежна профілактика в електроустановках" навчальної дисципліни "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках".

За змістом навчальна дисципліна "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках" складається з двох розділів. У першому розділі "Електротехніка" вивчаються основні положення електротехніки, що необхідні для якісного аналізу пожежної небезпеки електричних мереж та електротехнічних виробів. У другому розділі "Пожежна профілактика в електроустановках" вивчаються основні напрями та методи попередження й дослідження пожеж від електроустановок. 

Електротехніка – технічна наука про практичне застосування електричної енергії. Електротехніка відокремилася від фізики в самостійну науку після практичного створення центральних електростанцій та ліній для 
передавання електричної енергії від електростанцій до споживачів. Термін "електротехніка" став застосовуватися після Міжнародної електричної виставки, яка проходила у місті Париж (Франція) з 01 серпня по 15 листопада 1881 року.

З усіх видів енергії (теплова, хімічна, механічна, ядерна, електрична, світлова) електрична енергія є найбільш зручною й універсальною. Вона порівняно легко утворюється, передається на значні відстані та перетворюється в інші види енергії.

Виникненню електротехніки як прикладної науки передував достатньо  тривалий період накопичення знань про електрику та магнетизм. 

Є відомості про наявність у мешканців Парфянського царства (існувало орієнтовно з 250 року до нашої ери до 200 року нашої ери на території сучасного Туркменістану) мідно-залізних гальванічних елементів з електролітом з винної, оцтової або лимонної кислоти як джерел електричної енергії. 

В 1799 році італієць Алессандро Вольта (Alessandro Volta) винайшов гальванічний елемент. Батареї, зібрані з елементів Вольта, характеризувалися напругами від 1 В до 2 кВ при струмах у декілька ампер. Тоді ж було відкрито ефекти електротермії, електролізу, електроосвітлення, електрозварювання, електродугового плавлення, появою яких світ зобов’язаний А. Вольта та російському фізику Василю Володимировичу Петрову, який відкрив електричну дугу та розробив її теорію в 1802 році. А. Вольта ввів поняття "електрорушійна сила", а В.В. Петров – поняття "електричний опір".

В 1819 році датчанин Ханс Крістіан Ерстед (Hans Christian Oersted) відкрив механічний вплив електричного струму на магнітну стрілку, а через рік француз Андре Марі Ампер (Andre Marie Ampere) відкрив магнітні властивості соленоїда зі струмом, тобто було встановлено, що проходження струму супроводжується магнітними явищами. А. Ампер ввів поняття "електричний струм".

В 1822 році англієць Майкл Фарадей (Michael Faraday) вперше відкрив  можливість використання електричної енергії для виконання механічної роботи. Моделі М. Фарадея можна розглядати як прототипи сучасних електродвигунів. 

В 1827 році видатний німецькій вчений Георг Симон Ом (Georg Simon Om) відкрив основний закон електротехніки, який пов’язує силу струму, напругу та опір.

Важливою віхою в історії електротехніки можна вважати відкриття в 1831 році М. Фарадеєм явища електромагнітної індукції. В 1832 році російський вчений Павло Львович Шиллінг побудував перший у світі електромагнітний телеграф, а винахідники француз Іполит Піксі (Hippolyte Pixii) та англієць Вільям Річчі (William Ricci) на початку 1833 року запропонували моделі електричних генераторів постійного струму. 

В 1834 році російський вчений Борис Семенович Якобі побудував працездатний електричний двигун потужністю близько 0,5 кВт (пізніше цей двигун був установлений на катері, який плавав по річці Нева з навантаженням до 11 пасажирів). Живлення електродвигуна здійснювалося від гальванічних елементів Вольта. Саме Б.С. Якобі вперше застосував на практиці рубильник і плавкий запобіжник для керування роботою електродвигуна. 

В 1842 році почався розвиток електричного освітлення. Англійський винахідник Фрідерік ді Молейнс (Frederick De Moleyns) запатентував першу електричну лампу, в якій світилося порошкове вугілля, розташоване між двома платиновими електродами у вакуумній колбі.

  В 1844 році англійський фізик Джеймс Прескотт Джоуль (Dzhejjms Preskott Dzhoul) і російський фізик Еміль Хрістіанович Ленц сформулювали, незалежно один від одного, закон, згідно з яким кількість тепла, що виділяється у провіднику при протіканні струму, прямо пропорційна опору провідника і квадрату сили струму. 

В 1845 році німецькій вчений Густав Роберт Кірхгоф (Gustav Robert Kirchhoff) сформулював основні закони для розгалужених електричних кіл. У цей же час англієць Д. Вулріч (D. Woolrich) з’єднав генератор постійного струму через пасову передачу з паровою машиною й використовував установку для живлення промислових гальванічних ванн, тобто він поклав початок створенню систем електропостачання промислових установок. В 1847 році в Англії налічувалося вісім фабрик із подібними установками. У той же час Б.С. Якобі сформулював принцип зворотності генераторів і двигунів, причому наступним етапом розвитку генераторів стала заміна постійних магнітів електромагнітами (1850 рік). 

Незабаром датчанин Серен Хіорт (Hjoit) опублікував ідею самозбудження генераторів, однак реалізація цієї ідеї була здійснена німцем Ернстом Вернером фон Сіменсом (Ernst Werner von Siemens), англійськими електромеханіками Генрі Уайлдом (Henry Wyld) і Семюелем Альфредом Варлі (Samuel Alfred Varley) й американцем Мозесом Геррішем Фармером (Moses Gerrish Farmer) одночасно і незалежно один від одного. Самозбудження генераторів виявилося настільки ефективним, що виник попит на установки вуличного освітлення, електропривод і електронагрів. 

В 1866 році німецькій електротехнік Е.В. Сіменс використав принцип самозбудження для генераторів послідовного збудження. В 1876 році шотландець Джеймс Кларк Максвелл (James Clerk Maxwell) запропонував математичну теорію машини із самозбудженням. 

Перша електростанція для потреб заводського освітлення була побудована в 1873 році на електромашино-будівельному заводі французького електротехніка Зеноба Грамма (Zenobe Gramme). У Російській Імперії така станція була побудована на Сормовському машинобудівному заводі в 1876 році. 

В 1872 році російській електротехнік Олександр Миколайович Лодигін запропонував власну конструкцію електричної лампи з вугільним стрижнем. В 1876 році електротехнік російського походження Павло Миколайович Яблочков (в 1875 році П.М. Яблочков переїхав з Російської Імперії до Франції, де і зробив всі свої відкриття) виготовив дугову електричну лампу у вигляді двох вугільних стрижнів, розділених шаром каоліну, та прилад для її живлення, який пізніше був названий трансформатором. Але створити надійну, довговічну, недорогу лампу розжарювання та налагодити її масове виробництво зумів американський електротехнік Томас Алве Едісон (Thomas Alve Edison) у 1878 році (Т.А. Едісон є засновником відомої електротехнічної компанії Edison Electric Light, пізніше перейменованої у General Electric). У перших лампах Т.А. Едісона ниткою розжарювання була обвуглена стружка японського бамбука, потім – вугільна нитка. Вольфрамові нитки розжарювання з’явилися в 1906 році, коли компанія General Electric придбала у О.М. Лодигіна патент 1890 року на використання в лампах розжарювання ниток із тугоплавких металів. 

В 1879 році Е.В. Сименс на Берлінській виставці продемонстрував першу електричну залізницю, а в 1882 році француз Марсель Депре (Marcel Deprez) практично здійснив передачу електричної енергії постійного струму на відстань 57 км.

Наприкінці 1882 року російський електротехнік Іван Пилипович Усагін вперше продемонстрував свій трансформатор. Початок широкого застосування однофазних трансформаторів із замкненою магнітною системою пов’язаний з угорцями Отто Блаті (Otto Bláthy) і Карой Циперновським (Karoly Zipernowsky), які першими розробили конструкції стержневого й броньового трансформаторів і взагалі запропонували термін "трансформатор". 

Першою великою електростанцією загального користування стала електрична станція, споруджена Т.А. Едісоном у 1882 році у місті Нью-Йорк, що мала 6 генераторів загальною потужністю 540 кВт. 

В 1883 році з’явилася значна кількість центральних електростанцій у багатьох країнах, у тому числі й перша в Російській Імперії електростанція, споруджена в місті Санкт-Петербург на баржі на річці Мийка. 

Після появи центральних електростанцій виникла потреба у збільшенні дальності передачі електричної енергії. Першим математично обґрунтував передачу електричної енергії на відстань російський електротехнік Дмитро Олександрович Лачинов. Дана теорія була пізніше підтверджена експериментально М. Депре, якому вдалося в 1885 році передати потужність у 30 кВт на відстань 56 км із коефіцієнтом корисної дії близько 78 %. 

В 1883 році М. Депре довів можливість утворення обертального магнітного поля за допомогою двофазного змінного струму, а дослідження цього питання серба Николи Тесла (Nikola Tesla) дозволили у 1886 році створити двофазний асинхронний двигун. 

Широке застосування асинхронних двигунів розпочалося після запропонування у 1889 році електротехніком російського походження Михайло Осиповичем Доливо-Добровольським багатофазної системи змінного струму  (М.О. Доливо-Добровольський за участь у студентському революційному русі був змушений у 1881 році емігрувати з Російської Імперії та все життя мешкав у Німеччині, працював у електротехнічному концерні AEG, у 1889 році – головним інженером, з 1909 року – директором). У 1891 році М.О. Доливо-Добровольський побудував дослідну трифазну лінію електропередачі довжиною 178 км, напругою 15 кВ, частотою 40 Гц, потужністю 220 кВт із коефіцієнтом корисної дії близько 75 %.

Перша трифазна електростанція в Російській Імперії (4 генератори по 300 кВт напругою 250 В частотою 25 Гц) була побудована в 1893 році Олександром Миколайовичем Щенсновичем для електропостачання Новоросійського елеватора. Електростанція застосовувалася для живлення 83 асинхронних електродвигунів потужністю від 4 до 15 кВт та електричного освітлення елеватора. На той час це була найбільша й найсучасніша у світі трифазна установка для постачання електричної енергій.

Перший турбогенераторний агрегат – основний агрегат сучасних теплових електростанцій – запатентував англієць Чарльз Альджернон Парсонс (Charles Algernon Parsons) у 1884 році. У Російській Імперії перший турбогенераторний агрегат потужністю 680 кВт був установлений в 1904 році на електростанції, розташованій на річці Фонтанка в місті Санкт-Петербург. 

У двадцяті-на початку тридцятих років ХХ сторіччя за планом ГОЭЛРО (Государственный план электрификации России) в Радянському Союзі було побудовано ряд гідро- та теплових електростанцій. Зокрема у 1932 році було побудовано ДніпроГЕС із лінією електропередачі напругою 154 кВ.

Великий внесок у розвиток електротехніки зробили радянські вчені Михайло Олександрович Бонч-Бруєвич (працював у галузі радіоламп, радіомовлення та дальнього радіозв’язку на коротких хвилях; під його керівництвом було спроектовано й в 1922 році побудовано в місті Москва першу потужну радіомовну станцію (Шуховську вежу)), Сергій Іванович Вавілов (засновник радянської школи люмінесценції), Абрам Федорович Іоффе (працював у галузі фізики твердого тіла та загальної фізики, зробив великий внесок у фізику і техніку напівпровідників, висунув ідею плазмової електрики), Євген Оскарович Патон (працював у галузі електрозварювання та містобудування; засновник інституту електрозварювання у місті Києві; у роки Другої світової війни під його керівництвом були впроваджені в оборонну промисловість устаткування й технологія для автоматичного зварювання спеціальних сталей, танків, бомб тощо) та інші.

На сьогодні встановлена електрична потужність електрогенеруючих підприємств України перевищує 30 ГВт. В Україні експлуатується більше 100 енергоблоків на атомних, гідро-, теплових та гідроакумулюючих електростанціях.  

Аналіз сучасного стану систем енергетики показує, що виробництво електроенергії на теплових електростанціях є екологічно шкідливим, вугілля, нафта та газ є достатньо дорогою сировиною. Нарощування потужностей гідроелектростанцій є достатньо складним. Тому, не зважаючи на відомі наслідки Чорнобильської катастрофи, основний напрям подальшого розвитку електроенергетики України бачиться в будівництві атомних електростанцій. У березні 2006 року було затверджено Стратегію розвитку паливно-енергетичного комплексу України до 2030 року, відповідно до якої атомні електростанції повинні утримувати виробляння близько половини об’єму електричної енергії в Україні.

Електрообладнання, що знаходиться в експлуатації, старіє, потребує ремонту й заміни (наприклад, перший енергоблок атомної електростанції був запущений в Україні 22 грудня 1980 року на Рівненській атомній електростанції). Стан справ ускладнюється відсутністю достатнього фінансування у суб’єктів господарювання. Відзначені явища збільшують імовірність виникнення небезпечних режимів роботи електроустановок, що можуть призвести до пожеж, аварій та навіть катастроф.

У сучасних умовах високої вартості енергоносіїв особливо значущим є енергозбереження, яке полягає у зниженні витрат енергоресурсів на продукцію, що виготовляється, або послуги, що надаються, шляхом цілеспрямованого проведення організаційно-технічних заходів з економії енергоресурсів. Наприклад, у країнах Європи та Російській Федерації запланована поступова відмова від застосування ламп розжарювання, які мають надзвичайно низький світловий коефіцієнт корисної дії (до 5%) та заміна їх енергозберігаючими лампами. 

Предмет другого розділу "Пожежна профілактика в електроустановках" навчальної дисципліни – комплекс організаційних і технічних заходів, спрямованих на убезпечення людей, запобігання пожежам від електроустановок, обмеження їх розвитку, а також створення умов для пожежогасіння.

Важливість вивчення цього розділу навчальної дисципліни підтверджується статистичними даними. Якщо всі пожежі прийняти за 100 %, то пожежі, що сталися через порушення правил пожежної безпеки при влаштуванні та експлуатації електроустановок, становлять щорічно у середньому близько 25 %. Незадовільний стан справ із пожежами у країні зумовлений, з одного боку, невиконанням вимог "Правил пожежної безпеки в Україні", несвоєчасною заміною застарілого і зношеного обладнання, а з іншого  боку, – недоліками в організації служби і профілактичної роботи особового складу і працівників відповідних органів і підрозділів цивільного захисту, слабким контролем за станом справ на об’єктах суб’єктів господарювання, невжиттям заходів щодо попередження пожеж.

Життя вимагає, щоб у всіх сферах господарства країни, у тому числі і в органах і підрозділах цивільного захисту, працювали висококваліфіковані фахівці. Для того щоб виявити порушення при влаштуванні й експлуатації електроустановок, а також запропонувати правильне рішення, особовий склад і працівники органів і підрозділів цивільного захисту повинні знати їх будову, принцип дії і пожежну небезпеку, мати практичні навички щодо виявлення пожежонебезпечних ситуацій, розробки протипожежних заходів, проведення агітаційно-роз’яснювальної роботи.

Знання понять і законів електротехніки потрібно не тільки для проведення профілактичної роботи, але і для забезпечення особистої безпеки особового складу і працівників органів і підрозділів цивільного захисту як при гасінні пожеж, так і у повсякденному житті. Однією з причин загибелі особового складу на пожежі є ураження людини електричним струмом.  

Підручник "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках" побудований на базі однойменного навчального посібника 2003 року видання. Підручник підготовлений з урахуванням багаторічного досвіду викладання навчальної дисципліни "Електротехніка та пожежна профілактика в електроустановках" в Національному університеті цивільного захисту України, змін у нормативній базі пожежної профілактики в електроустановках, що відбулися з часу видання навчального посібника.   

Автори висловлюють подяку науково-педагогічним працівникам кафедри пожежної і техногенної безпеки об’єктів та технологій Національного університету цивільного захисту України за слушні зауваження та пропозиції при роботі над підручником.

Також дякуємо рецензентам за їх роботу над рукописом та слушні зауваження.

Автори заздалегідь вдячні за зауваження усіх користувачів підручника.